Bir bakteri hücresini enfekte eden faj adı verilen virüslerin bir örneği. Araştırmacılar, doğal viral enfeksiyonlara dirençli ve çevreye kaçma riski düşük olan değiştirilmiş bir Escherichia coli bakterisi türü geliştirdiler. Genetik mühendisliği ve sentetik biyolojideki bu atılımın, ilaçların ve biyoyakıtlar gibi diğer maddelerin üretiminde viral kontaminasyon riskini azaltması bekleniyor. Şu anda bakterilerde viral enfeksiyonlar üretimin durmasına neden olabilmekte, ilaç güvenliğini tehlikeye atabilmekte ve yüksek finansal maliyetlere neden olabilmektedir. Kredi: Behnoush Hajian
Araştırmacılar, tıbbi ve endüstriyel uygulamalar için virüse dayanıklı, güvenli bir şekilde sınırlandırılmış E. coli oluşturuyor.
Genetik mühendisliği ve sentetik biyoloji, araştırmacılar bir Escherichia coli bakteri türünü doğal viral enfeksiyonlara karşı bağışık olacak şekilde değiştirirken aynı zamanda bakterilerin veya değiştirilmiş genlerinin doğaya kaçma potansiyelini en aza indirdi.
Çalışma, tehditleri azaltmayı vaat ediyor. İnsülin gibi ilaçların yanı sıra biyoyakıtlar gibi diğer yararlı maddeleri üretmek için bakterilerden yararlanırken viral kontaminasyon. Şu anda bakteri fıçılarına bulaşan virüsler üretimi durdurabilir, ilaç güvenliğini tehlikeye atabilir ve milyonlarca dolara mal olabilir.
Sonuçlar bugün 15 Mart’ta Nature dergisinde yayınlandı.
2016’da Church laboratuvarından ilgili bir projeyle ilgili bu videoda kodon silmenin nasıl çalıştığı hakkında daha fazla bilgi edinin. Kredi: Rick Groleau
“Bir organizma tasarlamak için ilk teknolojiyi geliştirdiğimize inanıyoruz. Bilinen herhangi bir virüs bulaşamaz,” dedi çalışmanın ilk yazarı, Harvard Tıp Okulu Blavatnik Enstitüsü ve Wyss Biyolojik Esinlenme Mühendisliği Enstitüsü’ndeki George Church’ün laboratuvarında genetik araştırma görevlisi olan Akos Nyerges.{4 }
“Virüse tamamen dirençli olduğunu söyleyemeyiz, ancak şimdiye kadar, kapsamlı laboratuvar deneyleri ve hesaplamalı analizlere dayanarak, onu kırabilecek bir virüs bulamadık,” dedi Nyerges.
{6 }Çalışma ayrıca, değiştirilmiş genetik materyalin n’ye dahil edilmesini önleyen ilk yerleşik güvenlik önlemini de sağlıyor. doğal hücreler, dedi.
Yazarlar, çalışmalarının herhangi bir organizmayı virüslere karşı bağışık hale getirmek ve genetiği değiştirilmiş organizmalara (GDO’lar) gen akışını önlemek için genel bir yöntem önerdiğini söylediler. Gruplar, ekin yetiştirmek, hastalık yayılmasını azaltmak, biyoyakıt üretmek ve açık ortamlardaki kirleticileri ortadan kaldırmak için GDO’ların güvenli dağıtımını keşfettikçe, bu tür biyolojik sınırlama stratejilerine ilgi artıyor.
Daha önce gelenleri temel alarak
Bulgular, genetik mühendislerinin yararlı, güvenli, virüse dirençli bir bakteri elde etmeye yönelik önceki çabalarına dayanıyor.
2022’de, Cambridge Üniversitesi’nden bir grup bir E. coli suşu ürettiklerini düşündüler. virüslere karşı bağışıklık. Ancak daha sonra Nyerges, araştırma görevlisi Siân Owen ve yüksek lisans öğrencisi Eleanor Rand ile HMS’deki Blavatnik Enstitüsü’nde biyomedikal bilişim yardımcı doçenti olan ortak yazar Michael Baym’in laboratuvarında bir araya geldi. Tavuk barakaları, fare yuvaları, kanalizasyon ve HMS kampüsünün aşağısındaki Muddy Nehri gibi E. coli ile dolu yerel alanlardan örnekler aldıklarında, değiştirilmiş bakterileri hâlâ enfekte edebilen virüsler keşfettiler.
Keşfetme Nyerges, bakterilerin virüslere tam olarak dirençli olmadığının “bir serseri olduğunu” söyledi.
İlk yöntem, E. coli’nin tüm yaşamı sürdüren proteinlerini 61 set genetik yapı taşından yapması için genetik olarak yeniden programlamayı içeriyordu. , veya kodonlar yerine doğal olarak oluşan 64. Buradaki fikir, virüslerin eksik kodonlar olmadan çoğalamayacakları için hücreleri ele geçiremeyecekleriydi.
Bununla birlikte, HMS ekibi anladı kodonları silmenin yeterli olmadığını. Bazı virüsler, eksik parçaların etrafından dolaşmak için kendi ekipmanlarını getiriyordu.
Böylece, Nyerges ve meslektaşları, bu kodonların bir organizmaya yapmasını söylediği şeyi değiştirmenin bir yolunu geliştirdiler; bu, bilim adamlarının şimdiye kadar bu ölçüde yapmadığı bir şeydi. canlı hücreler.
Translasyonda kayıp
Anahtar, transfer RNA’larında veya tRNA’lardadır.
Her tRNA’nın rolü, belirli bir kodonu tanımak ve ilgili amino asidi bu kodona eklemektir. inşa edilmekte olan bir protein.Ekip ayrıca karşılık gelen tRNA’ları da kaldırmıştı.
HMS ekibi şimdi onların yerine yeni, düzenbaz tRNA’lar ekledi. Bu tRNA’lar TCG veya TCA’yı gördüklerinde serin yerine lösin eklerler.
“Lösin, fiziksel ve kimyasal olarak serinden alabildiğiniz kadar farklıdır,” dedi Nyerges.
Bir istilacı virüs, TCG ve TCA ile dolu kendi genetik kodunu enjekte eder ve E. coli’ye viral proteinler yapmasını söylemeye çalışır. Bu tRNA’lar virüsün talimatlarını bozar.
Yanlış amino asitlerin eklenmesi, yanlış katlanmış, işlevsiz viral sonuçlar verir. proteinler. Bu, virüsün çoğalamayacağı ve daha fazla hücreye bulaşamayacağı anlamına gelir.
Bununla birlikte, virüsler ayrıca kendi tRNA’larıyla donatılmıştır. Bunlar yine de TCG ve TCA’yı doğru bir şekilde serine çevirebilir. Ancak Nyerges ve meslektaşları, tanıttıkları düzenbaz tRNA’ların işlerinde o kadar iyi olduklarına ve viral muadillerini alt ettiklerine dair kanıt sağladılar.
“Bir organizmanın genetiğini değiştirmenin mümkün olduğunu göstermek çok zorlu ve büyük bir başarıydı. kod,” dedi Nyerges, “ve yalnızca bu şekilde yaparsak işe yarar.”
Çalışma, bir bakteriyi tüm virüslere karşı bağışık hale getirmedeki son engeli de ortadan kaldırmış olabilir, ancak yine de bir şeyin işe yarama şansı vardır. yazarların söylediğine göre korumayı kırabilecek görünür.
Ekip, değiş tokuş edilen kodonların üstesinden gelmek için bir virüsün aynı anda düzinelerce spesifik mutasyon geliştirmesini gerektireceğini bildiğinden emin.
” Bu doğal evrim için çok ama çok düşük bir ihtimal,” dedi Nyerges.
Güvenlik önlemleri
Çalışma iki ayrı koruma içeriyor.
Birincisi, yatay gen aktarımına karşı koruma sağlıyor; Genetik kod parçacıklarının ve bunlara eşlik eden tra antibiyotik direnci gibi, bir organizmadan diğerine aktarılır.
Nyerges ve meslektaşları, değiştirilmiş E. coli hücrelerinde genler boyunca ikameler yaparak bu sonuca kısa devre yaptılar, böylece lösini çağıran tüm kodonlar değiştirilmemiş bir organizmada serin gerektirecek olan kodonlar olan TCG veya TCA ile değiştirilir. Bakteriler, düzenbaz tRNA’ları sayesinde bu yerlerde hâlâ doğru bir şekilde lösin üretiyordu.
Başka bir organizma değiştirilmiş parçacıklardan herhangi birini kendi genomuna dahil ederse, organizmanın doğal tRNA’ları TCG ve TCA’yı serin olarak yorumlardı. ve herhangi bir evrimsel avantaj sağlamayan önemsiz proteinlerle sonlanır.
“Genetik bilgi anlamsız olacaktır,” dedi Nyerges.
Benzer şekilde, ekip, eğer E’den biri . coli’nin düzenbaz tRNA’ları başka bir organizmaya aktarılır, serin kodonlarını lösin kodonları olarak yanlış okuması hücreye zarar verir veya hücreyi öldürür ve daha fazla yayılmasını önler.
“Kaçan herhangi bir modifiye edilmiş tRNA’lar uzağa gidemez çünkü onlar için zehirlidirler. doğal organizmalar,” dedi Nyerges.
Çalışma, genetiği değiştirilmiş organizmalardan doğal organizmalara yatay gen transferini önleyen ilk teknolojiyi temsil ediyor, dedi.
İkinci arıza güvenliği için ekip, bakterilerin kendilerini bir konteynırın dışında yaşayamayacak şekilde tasarladılar haddelenmiş ortam.
Ekip, E. coli’yi doğada bulunmayan laboratuvar yapımı bir amino aside bağımlı hale getirmek için Church laboratuvarı tarafından geliştirilen mevcut bir teknolojiyi kullandı. Örneğin, insülin üretmek için bu E. coli’yi yetiştiren işçiler, onları doğal olmayan amino asitle beslerdi. Ancak herhangi bir bakteri kaçarsa, o amino aside erişimlerini kaybedecek ve öleceklerdir.
Bu nedenle, Nyerges, hiçbir insanın veya başka canlının “süperbakteriler” tarafından enfekte olma riski taşımadığını vurguladı.
Nyerges, aksi takdirde pahalı kimya gerektirecek tıbbi açıdan yararlı sentetik malzemeler üretmek için bakterileri ikna etmeye yönelik bir araç olarak kodon yeniden programlamayı keşfetmeyi dört gözle bekliyor. Diğer kapılar henüz açılmadı.
“Kim bilir başka neler var?” diye düşündü. “Keşfetmeye yeni başladık.”
Referans: 15 Mart 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-05824-z
Kilise HMS’deki Blavatnik Enstitüsünde Robert Winthrop Genetik Profesörüdür. Ek yazarlar, HMS’den Svenja Vinke, Regan Flynn, Kamesh Narasimhan, Jorge Marchand, Maximilien Baas-Thomas ve Anush Chiappino-Pepe; Wyss Enstitüsü’nden Bogdan Budnik; Washington Üniversitesi Tıp Fakültesi’nden Eric Keen; ve GenScript USA Inc.’den Min Liu, Kangming Chen ve Fangxiang Hu.
HMS, Nyerges, Vinke ve Church’ün mucitler olarak listelendiği bu çalışmayla ilgili geçici bir patent başvurusunda bulundu. GenScript’in deney tasarlamada veya yürütmede hiçbir rolü yoktu. Church, finansal çıkarları olan şu şirketlerin kurucusudur: GRO Biosciences, EnEvolv ve 64x Bio.
Bu araştırmanın finansmanı ABD tarafından sağlandı.Nyerges, bir EMBO LTF 160-2019 uzun vadeli bursuyla desteklendi.
.